PNAS：半導體測序助力胎兒遺傳病檢測

　　日前，來自中國廣州醫科大學等機構的科研人員報告了一種基于半導體的DNA測序平臺可能有助于增加胎兒遺傳病檢測的速度并減少成本，研究報告被發表在5月5日的PNAS網絡先行版上。

　　什么是基于半導體的DNA測序?

　　半導體DNA測序平臺是使用半導體生物傳感器芯片，對DNA復制期間產生的氫離子進行實時測定。芯片上密布了數百萬個微孔，每個微孔都是單獨的反應器，包括一個待測序的DNA模板片段(一種微流控芯片技術)。在加入一種dNTP后，如果加入的這種dNTP和模板中的引導核苷酸互補，就會形成互補鏈。在形成互補鏈過程中釋會放出一個氫離子(H+)，從而引起PH值的改變。通過實時測定PH值變化值逐步將遺傳信息(DNA)翻譯成DNA序列組合信息。

　　胎兒遺傳病檢測發展：從熒光檢測到氫離子檢測

　　過去對于有必要接受染色體異常檢查的孕婦，傳統診斷多采用羊膜穿刺或絨毛膜采樣的方法，大多在懷孕12周左右進行。這些介入性方法有兩大缺點：一是時間長，需要2周到3周才能出結果;二是穿刺針有不到1%的幾率扎到胎兒，可能引發感染甚至流產。

　　自從1977年第一代測序技術出現之后，經過了30多年發展， 第三代測序技術已經初露端倪，并向著更快、更準、更便宜的方向發展。目前稱得上第三代測序技術主要是Helicos公司的單分子測序技術、Oxford Nanopore Technologies公司的納米孔單分子測序技術等。然而納米孔單分子測序技術因為測序量較低而不能用于孕婦的胎兒DNA產前檢測。

　　與第二代測序技術相類似，基于半導體的DNA測序平臺也屬于一種無創檢測，其操作基本步驟與二代相似。當試劑通過繼承的流體通路進入芯片中，密布于芯片上的反應孔立即成為上百萬個微反應體系。這種獨特的流體體系、微體系機械設計和半導體技術的組合，使得研究人員能夠在兩個多小時內獲取從10Mb到1Gb以上高精確度序列。

　　只需抽取孕婦2毫升血樣，就能診斷與染色體異常有關的先天缺陷，包括最常見的唐氏綜合征、導致形體和器官多種異常的愛德華氏綜合征等。這項研究的負責人、加州大學圣迭戈分校遺傳醫學研究所所長Kang Zhang說，這種高通量測序技術，能一次對幾十萬到幾百萬條DNA(脫氧核糖核酸)進行序列測定。可把診斷提前到懷孕第9周，4天便能出結果，準確率也非常高。

　　半導體測序在產前檢測中的優點：迅速、便捷、成本低

　　近來基于大規模平行測序的方法已經促進了迅速的、非侵入式的出生前遺傳測試，這種測試通過分析母親血漿中流動的無細胞DNA從而測試，被稱為非整倍性的染色體拷貝數的異常。

　　這項研究中的基于半導體的實驗臺測序平臺，可在2-4個小時里每秒獲取50億個數據點，因此也就增加了迅速、便攜而且具有成本效益的胎兒非整倍性產前診斷的效率。研究人員通過對515名孕婦測試診斷靈敏度和特異性從而驗證了這個測序平臺，這些孕婦來自中國的兩所醫院，此前通過核型分析獲得了她們的非整倍性數據。

　　研究人員報告稱，這個平臺發現了全部55例唐氏綜合征、16例愛德華綜合征、3例Patau綜合征——它們的特點都是有額外的染色體拷貝——而特異性和靈敏度在99%到100%之間。此外，這種方法幫助識別出了15名性染色體非整倍性的胎兒。之后，研究人員將這一平臺應用到了1760名沒有核型分析數據的孕婦身上，結果檢測到了15例唐氏綜合征、愛德華綜合征或Patau綜合征，以及1例X染色體非整倍性。

　　為什么半導體測序檢測DNA序列速度更快?

　　第二代測序(Illumina/Solexa Genome Analyzer測序)的基本原理是邊合成邊測序。采用不同顏色的熒光標記四種不同的dNTP，當DNA聚合酶合成互補鏈時，每添加一種dNTP就會釋放出不同的熒光，根據捕捉的熒光信號并經過特定的計算機軟件處理，從而獲得待測DNA的序列信息。測序過程包括：測序文庫的構建、錨定橋接、預擴增、單堿基延伸測序和數據分析5個步驟。其不足是讀長會受到多個引起信號衰減的因素所影響，如熒光標記的不完全切割。

　　由于DNA合成過程中釋放氫離子引起的pH值變化，半導體傳感器芯片就是對DNA復制期間產生的氫離子進行實時的測定，不需要修飾核苷酸，也不需要激光器或光學檢測設備，因此速度較快。

　　該項研究課題組Kang Zhang等人員表示，隨著大齡母親越來越多，新生兒出生缺陷幾率呈上升趨勢。基于半導體的實驗臺測序平臺能提高診斷速度，降低檢測成本，不僅為將來“由醫院直接完成所有檢測”提供了可能性，而且為節省具有特異性的產前遺傳診斷的時間和成本鋪平了道路。